[논문]우리나라 우주천문학의 발자취

이대희

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문제 정의

CIBER 프로젝트는 한국의 한국천문연구원(KASI), 미국의 캘리포니아 공과대학 (California Institute of Technology, Caltech), 제트추진연구소 (Jet Propulsion Laboratory, JPL) 및 일본의 우주과학연구소 (Institute of Space and Astronautical Science, ISAS) 등이 주축이 되어 진행하는 국제 공동 연구로서, 미국 NASA의 과학로켓에 적외선 카메라 및 분광기를 탑재하여 근적외선 (1-2 μm) 영역에서의 우주배경복사를 관측함으로써 우주 초기의 별 및 은하에 대한 연구를 수행하려는 목적을 가지고 있다.
별탄생역사 연구를 위한 근적외선영상분광기 NISS는 차세대소형위성 1호의 주탑재체로서 시야각이 2x2도로 크며, 분광분해능 R=20의 선형분광필터 (LVF, Linear Variable Filter)를 사용하여 적외선우주배경복사 및 가까운 은하의 별 탄생 역사를 연구하려는 목적을 가지고 있다. NISS의 관측 파장 영역은 0.

제안 방법

카메라와 분광기에 공통적으로 운용되는 전자부 시스템은 데이터 획득 및 로켓과의 인터페이스를 담당한다. 두 대의 광시야 카메라는 근적외선 우주배경복사 공간 섭동을 측정하며, 저분산 분광기는 근적외선 우주배경복사의 스펙트럼을 관측한다. 고분산 분광기는 근적외선 우주배경복사의 잡음에 해당하는 태양계내의 황도광을 정밀 측정한다.
또한, 세계최초로 두 개의 주요 방출선인 OVI(1035Å) 및 CIV(1555Å)를 동시에 관측함으로써 잘 알려져 있지 않은 우리은하의 고온 기체에 대한 성질을 연구하였다.
FIMS는 8°×5' 크기의 개구(aperture)를 통해 들어온 빛을 parabolic cylinder mirror를 통해 집광한 후 rotation of ellipse 형태의 회절격자로 분산시켜서 MCP(Micro Channel Plate)를 통해 증폭된 신호를 검출하는 구조를 가지고 있다. 스캐닝방식으로 대상 천체로부터 방출되는 광자를 검출하며 영상과 분광신호를 동시에 기록한다. 주 파장영역은 900-1150Å과 1330-1730Å이며 각 밴드의 분해능은 각각 2.
과학기술위성1호는 고도 690km의 태양동주기 궤도에서 100분의 주기를 갖고 하루에 약 14번 지구 주변을 돈다. 이때 FIMS는 한 궤도 당 약 25분간 관측을 수행하게 되며, 은하 내부의 고온 플라즈마의 거시적인 공간 분포에 대한 전천 탐사를 6개월간 수행하였다. 이러한 전천탐사를 통해 분광 및 이미지를 동시에 측정함으로써 C IV 및 O VI 등 중요한 고온 플라즈마의 분광선들에 대한 전천지도를 작성하였다.
이때 FIMS는 한 궤도 당 약 25분간 관측을 수행하게 되며, 은하 내부의 고온 플라즈마의 거시적인 공간 분포에 대한 전천 탐사를 6개월간 수행하였다. 이러한 전천탐사를 통해 분광 및 이미지를 동시에 측정함으로써 C IV 및 O VI 등 중요한 고온 플라즈마의 분광선들에 대한 전천지도를 작성하였다. 전천탐사 수행 후 별 및 지구 대기광에 의한 잡음을 보정하고 전체 하늘을 3도x 3도 픽셀로 나누어 은하의 지도를 재구성하게 된다.
이러한 전천탐사를 통해 분광 및 이미지를 동시에 측정함으로써 C IV 및 O VI 등 중요한 고온 플라즈마의 분광선들에 대한 전천지도를 작성하였다. 전천탐사 수행 후 별 및 지구 대기광에 의한 잡음을 보정하고 전체 하늘을 3도x 3도 픽셀로 나누어 은하의 지도를 재구성하게 된다. 한편, 전천탐사 중에 약 20 여개의 지향 관측을 수행하여 연구 가치가 큰 천체들에 대한 원자외선 분광 및 영상 관측을 수행하였다.
전천탐사 수행 후 별 및 지구 대기광에 의한 잡음을 보정하고 전체 하늘을 3도x 3도 픽셀로 나누어 은하의 지도를 재구성하게 된다. 한편, 전천탐사 중에 약 20 여개의 지향 관측을 수행하여 연구 가치가 큰 천체들에 대한 원자외선 분광 및 영상 관측을 수행하였다. 이러한 임무를 통해 FIMS는 세계최초로 원자외선대역의 전천지도(all-sky map)를 작성하였다.

성능/효과

MIRIS는 발사 후 약 2달 동안의 초기 운영 및 검보정을 거쳐 정상 운용 중에 있다. MIRIS 우주관측카메라 및 지구관측카메라의 기능 및 성능 검증을 위해 촬영된 첫 영상은 MIRIS가 훌륭히 동작하고 있음을 보여주었다.
XDR은 1997년 7월 9일에 한국항공우주연구원에서 개발한 과학로켓-II (Korea Sounding Rocket, KSR II)에 실려 최초로 발사되었으나 이때는 로켓의 관성항법장치 고장으로 데이터 송수신이 이루어지지 못했다. 그 후 1998년 6월 11일에 KSR-II 2호기가 발사되었고, 수신된 데이터들을 분석한 결과 XDR이 약 1분 동안 정상적으로 동작함을 확인하였다.
XDR 로켓 실험은 우주관측을 향한 국내 최초의 시도였다는 점에서 큰 의의가 있다. 비록 천문관측 자체로서는 새로운 결과를 얻지 못했지만 검출기 제작부터 시스템의 완성, 그리고 텔레메트리 인터페이스 등의 경험을 통해 우주관측 시스템에 대한 경험과 기술이 축적되었으며, 이후 이러한 경험이 과학기술위성 1호 원자외선분광기 개발의 성공으로 이어졌다.

후속연구

근적외선에서 관측되는 우주배경복사는 먼 우주 초기에 생성되는 별과 은하들로부터의 극미광이라고 추정되며, 거대 규모로 분포하고 있다고 알려져 있다. NISS는 이러한 적외선 우주배경복사를 저분산 영상분광으로 먼 우주의 시간 간격에 따라 어떻게 거대구조가 진화해 가는지를 밝힐 예정이다. 아울러 가까운 은하들과 은하단, 별탄생 영역 등에서도 별생성과 관련된 활동들이 근적외선 분광선으로 나타난다.
NISS는 지상에서는 관측이 어려운 Paα, PAH (Polycyclic Aromatic Hydrocarbon), H2O와 같은 별탄생과 관련된 분광선들을 관측하여 가까운 우주에서의 별생성 활동을 살펴볼 예정이다.
NISS는 지상에서는 관측이 어려운 Paα, PAH (Polycyclic Aromatic Hydrocarbon), H₂O와 같은 별탄생과 관련된 분광선들을 관측하여 가까운 우주에서의 별생성 활동을 살펴볼 예정이다. 이러한 분광선들은 다른 별생성 인자들과의 비교를 통해 별생성에 대한 정확한 검보정을 수행할 계획이다.
한국은 NASA SMEX급 적외선 우주망원경 SPHEREx, 대형 적외선 우주망원경 WFIRST, 대형 자외선 우주망원경 WSO-UV, 소형 자외선 우주망원경 MESSIER등 다양한 우주망원경 국제협력 기회를 찾고 있으며, 이를 통해 우주망원경 도약 기술 개발 및 선도적인 우주천문 연구를 수행할 계획이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

FIMS의 주 목적은 무엇인가?

FIMS (Far-ultraviolet IMaging Spectrograph)는 2003년 9월 27일에 러시아 플레세츠크 우주기지에서 발사된 과학기술위성 1호 (STSAT-1)의 주 탑재체로 우리은하에 분포하는 고온(수만~수백만도)의 플라즈마로부터 발생하는 원자외선 영역의 방출선 관측을 주목적으로 하고 있다. 과학기술위성 1호의 버스시스템 개발은 인공위성연구센터에서 전담하고, FIMS는 한국천문연구원, 한국과학기술원, University of California at Berkeley가 공동으로 개발하였다.

CIBER의 구성성분들이 하는 일은?

두 대의 광시야 카메라와 저분산 분광기, 그리고 고분산 분광기로 구성되는 CIBER는 액체 질소를 이용한 진공기 안에 장착되어 절대 온도 77K의 온도를 유지한 상태에서 작동된다. 카메라와 분광기에 공통적으로 운용되는 전자부 시스템은 데이터 획득 및 로켓과의 인터페이스를 담당한다. 두 대의 광시야 카메라는 근적외선 우주배경복사 공간 섭동을 측정하며, 저분산 분광기는 근적외선 우주배경복사의 스펙트럼을 관측한다. 고분산 분광기는 근적외선 우주배경복사의 잡음에 해당하는 태양계내의 황도광을 정밀 측정한다.

MIRIS 우주관측 카메라을 구성하는 필터와 주된 작업은?

MIRIS 우주관측카메라는 0.9μm부터 2μm를 포함하는근적외선 영역에서 관측을 수행하며, 이를 위해 두 개의 근적외선 광역필터(I, H 밴드)와 적외선 라인 관측을 위한 하나의 협대역 필터(Paα와 연속선), 암잡음 보정을 위한 알루미늄 재질의 필터를 가지고 있다. 카메라의 주경이 8cm로 작기 때문에, 광시야 관측에 초점을 두어 관측이 이루어질 예정이다.

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